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Nature | 骨再生的新突破:仿生胶原基质如何改变骨修复?

生物探索  · 公众号  · 生物  · 2024-11-22 16:35

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(Credit: Nature

人类骨组织的扫描电镜图像: 图a和b展示了去钙化人类紧密骨的扫描电子显微镜(SEM)图像,分别为低倍率和高倍率的观察结果,展示了骨骼结构的整体和细节特点。
合成胶原材料的结构: 图c展示了合成胶原基材料(Col100)的SEM图像,其特点是3D密集且有序的仿生结构。 这种结构被称为“扭曲胶合板”结构,表现出高度有序的排列,比例尺为5微米。 仿生结构的示意图也附在图 b下方,帮助理解这种胶原纤维排列方式的复杂性。
非有序胶原纤维网络: 图d展示了另一种合成胶原材料(Col40)的SEM图像,其特点是大范围的非有序胶原纤维网络,纤维之间存在较大的(微米级)间隙,比例尺为2微米。 这种材料的纤维排列较为随机,与Col100相比缺乏高度的有序性。

在大鼠模型中, 研究人员 制造了一个直径约8毫米的颅骨缺损,分别将Col40和Col100胶原基质植入缺损区域,而空白对照组保持为空。植入后10周, 研究人员 使用显微放射照相(Microradiography)和微型计算机断层扫描(µCT)监测新生骨组织的形成情况,并量化缺损愈合的比例。结果显示, Col100组的新生骨结构更为连续,缺损边缘的骨再生更显著,表明Col100能够有效促进骨组织再生
在绵羊模型中, 研究人员 采用了类似的方法,但填充了非矿化的Col基质和矿化的Col-CHA(碳酸羟基磷灰石)基质。这一模型中,缺损尺寸更大,接近人类的骨缺损情况,使得实验更具临床意义,为未来的临床应用提供数据支持。


在大鼠颅骨缺损模型中使用胶原基质对骨再生的效果 (Credit: Nature

缺损模型的示意图和材料植入图: 图a 展示了大鼠颅骨缺损的示意图,描述了缺损的位置、大小和形状(红色虚线圆圈)。图b 显示了8毫米直径的颅骨缺损骨片的图片,而图c 显示了Col40胶原基质的植入情况。
显微放射照相和µCT扫描: 图d 和e 分别展示了空白对照组、Col40 和 Col100 组的显微放射照相和微型计算机断层扫描(µCT)图像。 空白组(图d1 和e1)没有骨再生,而 Col40 组(图d2 和e2)和 Col100 组(图d3 和e3)则显示了新骨的形成,尤其是 Col100 组的新骨形成更加均匀且成熟。
组织学染色分析: 图f 显示了空白对照组、Col40 和 Col100 组的甲苯胺蓝染色的组织学切片,Col40 组的矿化组织部分被未结合的骨边缘所包围,而 Col100 组的骨形成则更加均匀且骨边缘的结合更为频繁。
高倍放大观察: 在高倍放大观察下(图g 和h),Col40 和 Col100 的基质均显示了类似的整合机制。 残余的基质被血管细胞渗透,并伴随着原位的矿化过程(黄色星号和黄点标识)。


实验结果显示, Col100基质在促进骨缺损重建方面表现出显著的优势,其骨缺损重建率达到87.9±6.1%,而Col40组为69.2±24.1% 。相比之下,对照组的重建率仅为15.2±9.0%。显微结构分析进一步显示,Col100基质内的新生骨组织均匀分布,与宿主骨结合紧密,表明高度有序的仿生结构对骨再生有显著促进作用。






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